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Wie können Hersteller schneller auf globale Krisen reagieren, mit Lieferengpässen zurechtkommen und gleichzeitig auf individuelle Kundenwünsche reagieren? Antworten hierzu liefert die neue Expertise „Umsetzung von cyber-physischen Matrixproduktionssystemen“ des Forschungsbeirats der Plattform Industrie 4.0. Darin untersuchen das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA und das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, inwieweit cyber-physische Matrixproduktionssysteme Unternehmen helfen können, diese Herausforderungen zu bewältigen.
Krisen- und kriegsbedingte Unterbrechungen der Lieferketten, kurzfristige Stornierungen oder Veränderungen der Bestellungen, ein Trend zu immer kleineren Auftragslosen und einer zunehmenden Individualisierung der Produkte gehören heute zum Alltag vieler produzierender Unternehmen. Gleichzeitig müssen Unternehmen ihre Produktivität steigern, um im globalen Wettbewerb bestehen zu können. Neue, flexible Fertigungskonzepte können dabei helfen. Der Begriff Matrix stammt aus der Mathematik und beschreibt eine rechteckige Anordnung von Objekten in Zeilen und Spalten. Produktionstechniker verstehen unter einer Matrix eine schachbrettförmige Anordnung von Fertigungsmodulen: Warenlager, Fertigungsmaschinen und Transportsysteme beispielsweise arbeiten unabhängig voneinander. Gleichzeitig sind sie jedoch cyber-physisch vernetzt: Im virtuellen Raum gibt es einen Digitalen Zwilling, der die Produktionsprozesse und Fertigungsmodule abbildet. Durch ihn lassen sich Stoffströme und Maschinenauslastungen optimieren. Mithilfe der Ergebnisse werden dann die realen – physischen – Module gesteuert.
„Cyber-physische Matrixproduktionssysteme bieten eine Antwort auf Marktveränderungen, wie sinkende Stückzahlen, steigende Variantenvielfalt und schlechte Prognostizierbarkeit von Kundenbedarfen“, so Thomas Bauernhansl (Fraunhofer IPA), Mitglied des Forschungsbeirats der Plattform Industrie 4.0. „Die Matrixproduktion bietet die Chance die gegenläufigen Ziele Flexibilität und Produktivität auf ganz neue Art zu versöhnen.“
Matrixproduktionssysteme im Einsatz: Wird die Fertigung flexibler und zugleich produktiver?
Können cyber-physische Matrixproduktionssysteme die Werkstattfertigung produktiver und die Linienproduktion flexibler machen? Um diese Frage zu beantworten, haben die Fraunhofer-Teams 28 Unternehmen befragt, Ergebnisse zusammengetragen und ausgewertet.
Cyber-physische Matrixproduktionssysteme gelten unter Experten als Schlüssel zu einer sowohl flexiblen als auch produktiven Fertigung, die Unternehmen hilft, ihre Resilienz zu steigern und damit auch in turbulenten Zeiten zu bestehen. »Unser Ziel war es, den Stand der Technik zu untersuchen und herauszufinden, inwieweit die neuen Systeme in der Praxis schon genutzt werden und dort tatsächlich Flexibilität und Produktivität erhöhen«, erklärt Petra Foith-Förster, die Leiterin der Studie am Fraunhofer IPA. Dass die Ingenieurinnen und Ingenieure sich besonders für Flexibilität und Produktivität interessieren, hat einen guten Grund. Die beiden Größen gelten bisher in der Produktion als Gegenpole: Die klassische Werkstattfertigung, bei der Bauteile wie etwa Bleche, mit verschiedenen Werkzeugen schrittweise bearbeitet werden, ist wenig automatisiert. Das macht sie sehr flexibel, aber zumindest ab mittleren Stückzahlen auch ineffizient. Die hochautomatisierte Linienproduktion hingegen ist dank starrer Verkettung hochproduktiv, aber unflexibel – wenn beispielsweise ein Bauteil fehlt, steht das Band still.
Größere Unternehmen nutzen Matrixproduktionssysteme – Komplettlösungen für KMU fehlen
„Vor allem Großunternehmen, aber auch größere Mittelständler nutzen bereits Matrixproduktionssysteme“, berichtet Arvid Hellmich, der die Expertise am Fraunhofer IWU geleitet hat. Vorreiter bei der Einführung der neuen Systeme ist die Halbleiter-Industrie, aber auch größere Hersteller von Automobilen oder Elektrogeräten setzen modulare Strukturen ein, die digital optimiert und gesteuert werden. „Erfreut waren wir, dass die Technologien in vielen der Unternehmen, die Matrixproduktionssysteme einsetzen, bereits einen hohen Reifegrad besitzen“, betont der Forscher. Für die Bewertung des Reifegrads der cyber-physischen Matrixproduktionssysteme haben die Ingenieurinnen und Ingenieure einen Katalog von Kriterien erarbeitet. Zu diesen zählen unter anderem der modulare Aufbau der Produktionseinheiten, der Umsetzungsgrad eines Digitalen Zwillings, der Einsatz automatisierter Transportsysteme sowie die Rekonfigurierbarkeit des Ablaufs, die eine schnelle Anpassung der Produktion an veränderte Anforderungen des Markts erlaubt.
»Das Ergebnis der Expertise zeigt, dass Matrixproduktionssysteme eine wirtschaftliche Produktion bei herausfordernden Marktanforderungen ermöglichen und dass Unternehmen mit verschiedenen Produktionsprozessen aus unterschiedlichen Branchen diese bereits teilweise oder auch schon vollständig umsetzen«, resümiert Hellmich.
Was bisher fehlt, sind marktreife Komplettlösungen: „Überraschend war für uns, dass zwar Einzellösungen für Matrixproduktionssysteme angeboten werden, jedoch keine Gesamtpakete inklusive Anlagentechnik und Prozessautomatisierung“, betont Foith-Förster. „Die Unternehmen, die bereits mit den neuen, modularen Systemen arbeiten, haben diese selbst entwickelt. Kleine und mittlere Unternehmen, die sich eine eigene Technologieentwicklung nicht leisten können, haben das Nachsehen. Hier muss dringend eine bessere Vernetzung zwischen den Technologieanbietern und den potenziellen Kunden stattfinden.“
Über die Expertisen des Forschungsbeirats der Plattform Industrie 4.0
Als Sensor von Entwicklungsströmungen beobachtet und bewertet der Forschungsbeirat der Plattform Industrie 4.0 die Leistungs-profilentwicklung von Industrie 4.0 und konzentriert sich inhaltlich auf folgende Themenfelder: Wertschöpfungsnetzwerke, Technolo-gische Wegbereiter, Neue Methoden und Werkzeuge und Arbeit und Gesellschaft. Hier setzen die Expertisen des Forschungsbei-rats an. Vor dem Hintergrund der Themenfelder werden klar umrissene Problemstellungen aufgezeigt, Forschungs- und Entwick-lungsbedarfe definiert und Handlungsoptionen für eine erfolgreiche Gestaltung von Industrie 4.0 abgeleitet. Die Expertisen liegen in der inhaltlichen Verantwortung der jeweiligen Autorinnen und Autoren. Alle bisher erschienenen Publikationen des Forschungsbei-rats sind hier zur finden.
Über den Forschungsbeirat der Plattform Industrie 4.0
Der Forschungsbeirat der Plattform Industrie 4.0, der aus dem Wissenschaftlichen Beirat Industrie 4.0 aus dem Jahre 2013 hervor-geht, konstituierte sich 2018 in seiner aktuellen Zusammensetzung neu. Im Forschungsbeirat sind 19 Vertreter aus der Wissen-schaft und 12 Repräsentanten aus der Wirtschaft tätig, um die Plattform Industrie 4.0, ihre Arbeitsgruppen und die Bundesministe-rien, insbesondere das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), unabhängig zu beraten. Die Arbeit des For-schungsbeirats zielt darauf ab, über die Erarbeitung von wissenschaftsbasierten Forschungsempfehlungen, die Weiterentwicklung und Umsetzungsplanung von Industrie 4.0 in der deutschen Wirtschaft voranzutreiben. Der Forschungsbeirat versteht sich als Impulsgeber für künftige Forschungsthemen und Berater zur Umsetzung von Industrie 4.0. Die Arbeit des Forschungsbeirats wird durch acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften koordiniert und durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.
Die Fraunhofer-Gesellschaft mit Sitz in Deutschland ist die weltweit führende Organisation für anwendungsorientierte Forschung. Mit ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlüsseltechnologien sowie auf die Verwertung der Ergebnisse in Wirtschaft und Industrie spielt sie eine zentrale Rolle im Innovationsprozess. Als Wegweiser und Impulsgeber für innovative Entwicklungen und wissenschaftliche Exzellenz wirkt sie mit an der Gestaltung unserer Gesellschaft und unserer Zukunft. Die 1949 gegründete Organi-sation betreibt in Deutschland derzeit 75 Institute und Forschungseinrichtungen. Rund 29 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, überwiegend mit natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, erarbeiten das jährliche Forschungsvolumen von 2,8 Milliar-den Euro. Davon fallen 2,4 Milliarden Euro auf den Leistungsbereich Vertragsforschung.
Kristina Fornell
Referentin Kommunikation
T +49 89/52 03 09-865
fornell@acatech.de
acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften
Geschäftsstelle
Karolinenplatz 4
80333 München
https://www.acatech.de/publikation/umsetzung-von-cyber-physischen-matrixprodukti...
Expertise „Umsetzung von cyber-physischen Matrixproduktionssystemen“ vom Forschungsbeirat der Plattf ...
Quelle: acatech
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars
Economics / business administration, Information technology, Mechanical engineering, Politics
transregional, national
Science policy, Transfer of Science or Research
German
Expertise „Umsetzung von cyber-physischen Matrixproduktionssystemen“ vom Forschungsbeirat der Plattf ...
Quelle: acatech
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